ВОЛОКНИСТЫЙ КОМПОЗИЦИОННЫЙ МАТЕРИАЛ Российский патент 2017 года по МПК C22C49/06 C22C49/14 

Изобретение относится к области металлургии, в частности к волокнистым композиционным материалам, армированным непрерывными и дискретными волокнами оксида алюминия, предназначенным для использования в качестве конструкционного материала для изготовления изделий, таких как, например, корпуса вентилятора газотурбинных двигателей, и может быть использовано в авиационной технике.

Известен композиционный материал, состоящий из металлической матрицы, выполненный из металла, выбранного из группы, содержащей алюминий, магний, цинк или олово и сплавы на их основе, армирующего минерального волокнистого материала, в котором в качестве армирующего минерального волокнистого материала он содержит ткань с односторонней или двухсторонней пробивкой рубленым ровингом, при этом ткань и ровинг выполнены из минерального волокна следующего состава, мас. %: SiO₂ - 47-56, CaO - 5,5-12,0, Al₂O₃ - 12-17, MgO - 4,4-9,0, Fe₂O₃+FeO - 10-14, TiO₂ - 1-2, сопутствующие примеси - остальное, длина рубленного ровинга составляет 3-20 мм (Патент RU 2182605 С1, 20.05.2002, C22C 49/14).

Из известного композиционного материала изготавливают изделия повышенной прочности в различных областях техники.

Недостатками известного композиционного материала и изделий из него являются:

- низкие характеристики прочности при изгибе и сжатии;

- пониженные значения модуля упругости.

Известен также композиционный материал, состоящий из металлической матрицы, выполненный из металла, выбранного из группы, содержащей алюминий, магний, цинк или олово и сплавы на их основе и армирующего минерального волокнистого материала. При этом в качестве армирующего минерального волокнистого материала используют минеральные волокна следующего состава, мас. %: SiO₂ - 35-50, CaO - 20-40, Al₂O₃ - 10-20, MgO - 3-7, Fe₂O₃ - 1-5, примеси - остальное, при этом волокна содержат в своей массе до 20% от массы волокна частиц такого же состава. Всего армирующего минерального волокнистого материала может содержаться в композиционном материале 4-25% (EP 0181996 A2, 28.05.1986, C22C 1/09).

Недостатком известного композиционного материала является то, что компонент волокна SiO₂, вследствие термодинамической стабильности, в значительной мере взаимодействует с матрицей, в результате реакции происходит разрушение волокна, что приводит к снижению прочностных характеристик при изгибе и сжатии, а также жесткости.

Известен волокнистый композиционный материал, включающий металлическую матрицу, представляющую собой заэвтектический силумин, с содержанием кремния 12-60%, армированную непрерывными волокнами оксида алюминия, карбида кремния, графита, а также содержащую частицы оксида кремния, карбида кремния, нитрида алюминия (CA 2219169 A1, 25.04.1998, C22C 1/09).

Данный материал может использоваться при изготовлении поршней, цилиндров, тормозных дисков.

Недостатком известного волокнистого композиционного материала является недостаточная связь на границе раздела волокно-матрица, что отражается на прочностных свойствах волокнистого композиционного материала.

Наиболее близким аналогом, взятым за прототип, является волокнистый композиционный материал, включающий металлическую матрицу на основе алюминия, упрочненную непрерывными волокнами оксида алюминия, которые покрыты дискретными волокнами на основе муллита 3Al₂O₃⋅2SiO₂ (RU 2510425 C1, 27.03.2014, C22C 49/06).

Недостатком композиционного материала-прототипа является недостаточная восприимчивость к изгибающим и сжимающим нагрузкам.

Технической задачей изобретения является разработка волокнистого композиционного материала с повышенными механическими характеристиками.

Техническим результатом заявленного волокнистого композиционного материала является повышение прочности при изгибе и сжатии.

Для достижения поставленного технического результата предложен волокнистый композиционный материал, включающий металлическую матрицу на основе алюминия, упрочненную непрерывными волокнами оксида алюминия, которые покрыты дискретными волокнами на основе муллита 3Al₂O₃⋅2SiO₂, отличающийся тем, что непрерывные волокна дополнительно покрыты дискретными волокнами α-Al₂O₃ размером 150-200 мкм.

Предпочтительно, металлическая матрица на основе алюминия представляет собой сплав системы Al-Mg с содержанием Mg 3-7 мас. %.

Предпочтительно, металлическая матрица представляет собой сплав системы Al-Mg-Cu-Zn.

Предпочтительно, непрерывные волокна оксида алюминия однонаправлено ориентированы.

Предпочтительно, дискретные волокна на основе муллита 3Al₂O₃⋅2SiO₂ содержат, мас. %:

SiO₂ 20-25 Al₂O₃ 75-80

Предпочтительно, дискретные волокна α-Al₂O₃ содержат, мас. %:

Al₂O₃ >99 SiO₂ 2-3 Fe₂O₃ 4-7

Предпочтительно, волокнистый композиционный материал имеет следующий состав, об. %:

дискретные волокна 3Al₂O₃⋅2SiO₂ 2-7 дискретные волокна α-Al₂O₃ 10-15 непрерывные волокна 30-40 металлическая матрица остальное

Непрерывные волокна оксида алюминия не взаимодействуют с алюминиевой матрицей композиционного материала, образуя только механическую связь.

Непрерывные же волокна оксида алюминия, покрытые дискретными волокнами на основе муллита 3Al₂O₃⋅2SiO₂, вступают в химическое взаимодействие с ними, при этом улучшается связь на границе раздела волокно-матрица, что приводит к повышению прочностных свойств волокнистого композиционного материала. Кроме того, присутствие дискретных волокон α-Al₂O₃ размером 150-200 мкм, которые придают изотропность материалу, повышают механические характеристики, такие как прочность при изгибе и прочность при сжатии.

Так как механические характеристики металлического композиционного материала в значительной степени зависят от способности матрицы «передавать» нагрузки на армирующие компоненты через границу раздела, которая характеризуется определенным типом связи между матрицей и армирующими компонентами, то обеспечение хорошей связи на границе раздела является одним из важнейших процессов, сопровождающихся изготовлением металлических композиционных материалов. Волокнистый композиционный материал системы Al-Al₂O₃ должен иметь оксидный тип связи между компонентами, обусловленный образованием на границе раздела «волокно-матрица» шпинелей типа MgAl₂O₄ и CuAl₂O₄Mg, возможно в качестве матричного сплава использовать сплав системы Al-Mg-Cu, системы Al-Mg-Cu-Zn.

Поскольку шпинели типа MgAl₂O₄, которая может образовываться согласно термодинамическим расчетам по следующим реакциям с условием присутствия Mg в сплаве не менее 3 мас. % (по другим данным не менее 5 мас. %) и SiO₂:

,

где в вышеупомянутых уравнениях элементы представлены в виде раствора в расплаве и в виде твердой фазы, поэтому целесообразно использование в качестве матричного сплава системы Al-Mg.

Предпочтительное соотношение объемного содержания дискретного и непрерывного волокна в материале установлено практическим путем.

Примеры осуществления изобретения

Пример 1

Для получения волокнистого композиционного материала, армированного непрерывными и дискретными волокнами оксида алюминия, использовали в качестве матричного материала алюминиевый сплав системы Al-Mg-Cu (марки Д16). Объемное содержание дискретных волокон α-Al₂O₃ - 10 об. %, содержание дискретных волокон 3Al₂O₃⋅2SiO₂ – 3 об. %, содержание непрерывных волокон – 35 об. %.

Непрерывные волокна оксида алюминия (α-Al₂O₃), представляющие собой жгут из отдельных поликристаллических нитей диаметром 12 мкм, наматывали на специально изготовленную оправку, погруженную в короб с водой и связующим, в котором распределены дискретные волокна 3Al₂O₃⋅2SiO₂ и α-Al₂O. Затем проводили вакуумно-компрессионную пропитку расплавом алюминиевого сплава Д16, после чего проводили механическую обработку полученного волокнистого композиционного материала, при этом не нарушая непрерывных волокон оксида алюминия.

Испытание на определения прочности на сжатие проводили по ГОСТ 25.503-97, прочности на изгиб по ГОСТ 25.604-82.

Способы получения волокнистого материала по примерам 2 и 3 аналогичны примеру 1.

В примере 2 в качестве матричного материала использовали алюминиевый сплав системы Al-Mg (марки АМг6), объемное содержание дискретных волокон α-Al₂O₃ - 15 об. %, 3Al₂O₃⋅2SiO₂ - 2 об. %, содержание непрерывных волокон – 40 об. %.

В примере 3 в качестве матричного материала использовали алюминиевый сплав системы Al-Mg-Cu-Zn (марки В95), объемное содержание дискретных волокон α-Al₂O - 12 об. %, 3Al₂O₃⋅2SiO₂ - 3 об. %, содержание непрерывных волокон – 45 об. %.

Пример 4 (прототип)

Для получения волокнистого композиционного материала-прототипа использовали в качестве матричного материала сплав системы Al-Mg-Cu. Объемное содержание дискретных волокон муллита 3Al₂O₃⋅2SiO₂ 2 об. %, содержание непрерывных волокон 40 об. %.

В таблице представлены свойства предлагаемого волокнистого композиционного материала и материала-прототипа.

Как видно из таблицы, значения предела прочности при изгибе и сжатии предлагаемого волокнистого композиционного материала по сравнению с прототипом выше на 10-20%.

Таким образом, предлагаемый волокнистый композиционный материал имеет высокие механические характеристики и может быть использован в качестве конструкционного материала для изготовления изделий, таких как, например, корпуса вентилятора газотурбинных двигателей, и может быть использован в авиационной и других областях техники.

Изобретение относится к области металлургии, в частности к волокнистым композиционным материалам, армированным непрерывными и дискретными волокнами оксида алюминия, предназначенным для использования в качестве конструкционного материала для изготовления изделий, таких как корпуса вентилятора газотурбинных двигателей, и может быть использовано в авиационной технике. Волокнистый композиционный материал на основе алюминия состоит из металлической матрицы из сплава на основе алюминия, содержащего магний, и непрерывных волокон из оксида алюминия α-Al₂O₃ с покрытием, содержащим дискретные волокна муллита 3Al₂O₃⋅2SiO₂, при этом покрытие дополнительно содержит дискретные волокна α-Al₂O₃ размером 150-200 мкм при следующем содержании компонентов в композиционном материале, об.%: дискретные волокна муллита 3Al₂O₃⋅2SiO₂ - 2-7, дискретные волокна α-Al₂O₃ - 10-15, непрерывные волокна α-Al₂O₃ - 30-40, матрица из сплава на основе алюминия - остальное. Техническим результатом изобретения является повышение прочностных свойств композиционного материала, в особенности прочность при изгибе и прочность при сжатии за счет изотропности материала. 3 з.п. ф-лы, 4 пр., 1 табл.

1. Волокнистый композиционный материал на основе алюминия, состоящий из металлической матрицы из сплава на основе алюминия, содержащего магний, и непрерывных волокон из оксида алюминия α-Al₂O₃ с покрытием, содержащим дискретные волокна муллита 3Al₂O₃⋅2SiO₂, отличающийся тем, что покрытие дополнительно содержит дискретные волокна α-Al₂O₃ размером 150-200 мкм при следующем содержании компонентов в композиционном материале, об.%:

дискретные волокна муллита 3Al₂O₃⋅2SiO₂ 2-7 дискретные волокна α-Al₂O₃ 10-15 непрерывные волокна α-Al₂O₃ 30-40 матрица из сплава на основе алюминия остальное

2. Волокнистый композиционный материал по п. 1, отличающийся тем, что металлическая матрица представляет собой сплав системы Al-Mg-Cu-Zn.

3. Волокнистый композиционный материал по п. 1, отличающийся тем, что металлическая матрица представляет собой сплав системы Al-Mg с содержанием Mg 3-7 мас.%.

4. Волокнистый композиционный материал по п. 1, отличающийся тем, что непрерывные волокна оксида алюминия однонаправлено ориентированы.